13.3 Цикл парокомпрессионной холодильной установки

Низкое значение холодильного коэффициента воздушной холодильной установки обусловлено тем, что подвод и отвод тепла производятся, не по изотермам, а по изобарам. Эти процессы удается осуществить изотермически, если в качестве холодильного агента используется влажный пар какой-либо низкокипящей жидкости, т.е. жидкости, у которой температура кипения при атмосферном давлении t_н < 0°С.

Эти соображения лежат в основе устройства парокомпрессионных холодильных установок. Принципиальная схема такой установки представлена на рисунке 13.5, а ее идеальный цикл в Ts - диаграмме на рисунке 13.6.

Влажный пар холодильного агента сжимается в компрессоре 1 до давления p₁, причем влажность его уменьшается и в конце сжатия пар становится сухим насыщенным. В Ts - диаграмме сжатие в компрессоре изображается линией 1-2. После к

Рисунок 13.5 Рисунок 13.6

омпрессора пар поступает в конденсатор 2, где за счет отдачи теплоты парообразования охлаждающей воде при постоянных давлении p₁ и температуре T₁ по линии 2-3 он превращается в жидкость.

Из конденсатора жидкость поступает в редукционный вентиль 3, где она дросселируется с понижением давления от p₁ до р₂ по линии 3-4, что сопровождается понижением температуры до Т₂ и частичным испарением жидкости, которая таким образом превращается во влажный пар.

В рефрижераторе 4 этот пар отбирает тепло от охлаждаемого объекта и подсушивается при постоянных давлении р₂ и температуре Т₂ по линии 4-1, чем цикл и завершается.

В процессе 4-1 влажный пар холодильного агента получает в рефрижераторе тепло

,

в процессе 2-3 холодильный агент отдает теплоту охлаждающей воде конденсатора в количестве

.

Кроме того, известно, что при дросселировании энтальпия не изменяется, следовательно, i₃ = i₄ , откуда i₃-i₅ = i₄ - i₅ или пл. 5-3-3^/-5-5 = пл. 5-4-4^/-5-5 и пл. 6-4-4^/-3^/-6 = пл. 5-3-6-5.

Следовательно, затрачиваемая на цикл работа

,

или

.

Полученный результат подтверждает то обстоятельство, что изображение процесса дросселирования в Ts-диаграмме имеет совершенно условный характер: затрачиваемая в цикле 1-2-3-4-1 работа оказывается больше площади 1-2-3-4-1 на величину площади 5-4-3-5.

Основные требования, предъявляемые к холодильным агентам парокомпрессионных установок, сводятся к тому, чтобы, во-первых, температурный интервал цикла лежал между критической и тройной точками их (т.е. чтобы в этом интервале мог быть использован влажный пар); во-вторых, нужно, чтобы в этом интервале температур давление насыщенных паров холодильного агента было не слишком низким, но и не слишком высоким.

Верхняя температура цикла Т₁ определяется значением температуры охлаждающей воды. Принимая последнюю в среднем равной 20°С, получаем температуру T₁ примерно 25 – 30°С.

Нижняя температура цикла Т₂ задается в зависимости от назначения холодильной установки и соответствующей температуры охлаждаемого объекта, которая может быть равной от 0 до 120°С, а иногда еще ниже. Желательно, чтобы при температуре Т₂, на 9 – 10 °С меньшей, чем указанные величины, давление насыщенных паров холодильного агента было близко к атмосферному, что важно с точки зрения вакуумной плотности.

В соответствии с этими требованиями хорошим холодильным агентом является аммиак NH₃. При t₁ = 20°C давление насыщенных паров его равно 8,7 бар, а давление 1 бар соответствует температуре насыщения t₂ = - 34 °С. Следовательно, создание аммиачной парокомпрессионной холодильной установки на температуры t₂ ≥ -34 °С не требует применения вакуума.

Близким по этим характеристикам к аммиаку холодильным агентом является хлористый метил СН₃С1. Bce большее распространение в качестве холодильных агентов получают так называемые фреоны – фторхлорпроизводные простейших предельных углеводородов (в основном метана). Они отличаются химической стойкостью, нетоксичностью, отсутствием взаимодействия с конструкционными материалами. Температура кипения при атмосферном давлении для фреонов различных типов изменяется в широком диапазоне. Так, для фреона-14 (CF₄) она равна – 128 °С, для фреона-13 (СF₃Сl) равна – 81,5°С, фреона-22 (CHClF₂) равна – 40,8°С, фреона-12 (CC1₂F₂) равна – 29,8 °С. Наиболее распространенным из фреонов является фреон-12, используемый, в частности, во многих бытовых холодильниках. По своим термодинамическим свойствам фреон-12 сходен с аммиаком, хотя малая величина теплоты парообразования фреона-12 приводит к необходимости увеличенного по сравнению с аммиаком расхода его.

Парокомпрессионный холодильный цикл обеспечивает достаточно высокое значение холодильного коэффициента, лишь немного отличающееся от соответствующего значения его для обратного цикла Карно. Например, при t₁ = 30 °С и t₂ = 15 °С для аммиака ε = 4,85, для фреона-12

ε = 4,72, а для любого холодильного агента в обратном цикле Карно

ε =5,74.